автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Экспериментальные исследования конкуренции мод и нелинейных эффектов в InGaAs/GaAs/InGaP гетеролазерах с комбинированными квантовыми ямами и с резонаторами различного типа

На правах рукописи

(Ж

Некоркин Сергей Михайлович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНКУРЕНЦИИ МОД И НЕЛИНЕЙНЫХ ЭФФЕКТОВ

В 1пСаАв/СаА$ЯпСаР ГЕТЕРОЛАЗЕРАХ С КОМБИНИРОВАННЫМИ КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ И С РЕЗОНАТОРАМИ РАЗЛИЧНОГО ТИПА

05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2005

Работа выполнена в Научно-исследовательском физико-техническом институте Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского (г. Нижний Новгород)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник ИПФ РАН Вл. В. Кочаровский

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор

Л. Е. Воробьев

доктор физико-математических наук,

профессор

И. А. Карпович

Ведущая организация:

Институт физики микроструктур РАН

Защита состоится 7 декабря 2005 г. в / 7 часов на заседании диссертационного совета Д 212.166.01 при Нижегородском государственном университете им. Н. И. Лобачевского по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп. 3, ауд. 222-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского

Автореферат разослан "_ ¡5" » 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного со1 доктор физико-математических наук, профессор

А.И. Машин

¿2/42

221Я 33

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Перспективность инжекционных гетеролазеров с квантовыми ямами была осознана около четверти века тому назад, см., например, [1,2] и ссылки там. Однако до сих пор широкие возможности этих замечательных генераторов когерентного света остаются далеко не исчерпанными, появляются всё новые и новые их модификации, продолжает изучаться глубокая физика происходящих в них разнообразных явлений. В техническом отношении к настоящему времени достигнут громадный прогресс в создании полупроводниковых лазеров указанного типа. Освоен диапазон длин волн от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области спектра, получена мощность излучения до нескольких ватт в непрерывном режиме с активной полоски сечением порядка 1x10 мкм2. Эффективность преобразования электрической энергии в оптическую в лазерных диодах доходит до 10-70 % (в зависимости от диапазона длин волн) [3-5]. Созданы одномерные и двумерные решётки лазерных диодов с киловаттным уровнем выходной мощности [6]. Такие решётки, в частности, используются для накачки твёрдотельных лазеров вместо импульсных ламп и совершенно изменяют параметры этих лазеров в отношении габаритов, веса и экономичности.

Почему в подобных системах лазерные диоды приходится использовать как источники накачки твёрдотельных лазеров, а не как непосредственные источники когерентного излучения? Дело в том, что излучение лазерного диода, особенно мощного, имеет плохую временную и пространственную когерентность. Лазерные диоды обладают большой шириной спектральной линии (3-5 нм для мощных лазеров и 0,3-0,5 нм для маломощных одномодовых лазеров с селекцией мод, осуществляемой дифракционной решёткой), а распределение интенсивности в пучке излучения отличается от гауссова, что не даёт возможности тонкой фокусировки пучка [3, 6].

Эти факты не позволяют применять имеющиеся лазерные диоды для многих практически важных приложений. Было проведено довольно много исследований, направленных на разработку способов улучшения качества излучения лазерных диодов, однако, как правило, небольшие улучшения качества излучения сопровождались большими потерями мощности.

В целом можно констатировать необходимость и актуальность дальнейших исследований, особенно экспериментальных, по выяснению путей управления параметрами генерации и улучшения спектрально-угловых характеристик излучения инжекционных гетеролазеров. Теоретические идеи в этом направлении неоднократно высказываются, в том числе нашими соавторами O.JI. Антиповым и Вл.В. Кочаровским из ИПФ РАН, A.A. Беляниным и В.В. Коча-ровским из Техасского А&М университета, A.B. Сычуговым из ИОФ РАН, В.Я. Алёшкиным из ИФМ РАН, A.A. Афоненкр и? Минского государственного университета и др.

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА СП

^ве

»"Szßei'

....... ■ I IKjm т

Настоящая диссертация посвящена практической разработке и экспериментальной проверке некоторых из этих идей. С технологической и конструктивной точек зрения при этом речь идёт о комбинировании расположения квантовых ям в волноводе гетеролазера и о создании специальных резонаторов, селектирующих генерируемые моды и обеспечивающих нужную степень их взаимодействия. Примерами селектирующих резонаторов являются так называемые С3 составные резонаторы и резонаторы с внешним волноводно-решёточным зеркалом [7, 8]. С физической точки зрения центральными здесь являются проблемы спектральной и пространственной конкуренции мод, в том числе за носители (электроны и дырки, находящиеся под действием внешнего поля накачки и поля мод), и соответствующие нелинейные эффекты, связанные с самосогласованной динамикой носителей и комбинационным взаимодействием мод.

Сюда же примыкают и непосредственно нелинейно-оптические эффекты, обусловленные внутрирезонаторным смешиванием мод и сопровождающиеся обогащением спектра излучения гетеролазера. Так, благодаря квадратично-нелинейным оптическим свойствам полупроводника, как известно, при прохождении оптической волны высокой интенсивности через волновод в гетерост-руктуре должно появляться излучение удвоенной частоты. Если же в гетерост-руктуре взаимодействуют две волны с частотами С0| и ю2, то кроме волн с частотами 2а»| и 2й)2 должны наблюдаться волны на суммарной и разностной частотах (со, + o)2 и С0| - и2). Для такого преобразования частот необходимо не только выполнение условия фазового синхронизма, но и достижение большой плотности излучения в смешиваемых волнах. Последнее условие естественным образом выполняется в волноводе гетеролазера, скажем, имеющем сечение 1x10 мкм2 и обеспечивающем (при мощности генерации 1-5 Вт) интенсивность оптического излучения (1-5) х 107 Вт/см2, что близко к порогу разрушения материала и достаточно для наблюдения внутрирезонаторных нелинейных эффектов; см., например, [9-13]. В этой связи следует отметить и наблюдающийся в последнее время повышенный интерес к проблеме двух- и многочастотной генерации в инжекционных лазерах с асимметричным расположением различных квантовых ям в волноводном слое (см., например, [14-16] и указанную там литературу).

Если извлечение излучения суммарной частоты затруднено сильным поглощением коротковолнового излучения материалом лазерной структуры, то получение излучения разностной частоты не ограничено этим обстоятельством и позволило бы создать перестраиваемые источники терагерцового или дальнего инфракрасного излучения, работающие при комнатной температуре, - к этому в настоящее время стремятся многие исследователи [16-23]. В то же время измерение "терагерйового излучения малой мощности представляет сложную задачу (а повыйгению этой мощности препятствует, в частности, слож-

ность удовлетворения условиям фазового синхронизма). Экспериментальные работы в данном направлении стали появляться только в последнее время (см., например, [9, 13, 23-29]), и представленные в диссертации исследования двух-частотной генерации и взаимодействия мод в гетеролазерах в этом отношении тоже актуальны.

Цель работы.

Целью настоящей работы было экспериментальное выявление новых возможностей управления спектрально-угловыми свойствами излучения инжек-ционных гетеролазеров с различным расположением квантовых ям в волно-водном слое и с различными типами резонаторов, а также исследование особенностей конкуренции мод и нелинейно-оптических эффектов, возникающих в предложенных оригинальных лазерах.

Задачи исследования.

Для достижения этой цели была проведена серия экспериментальных работ с 1пСаАз/СаАэ/1пСаР гетеролазерами, в которой были поставлены и решены следующие основные задачи:

1) разработка и исследование компактных гетеролазеров с выводом излучения через подложку и управлением его спектрально-угловыми параметрами за счёт внешнего волноводно-решёточного зеркала (ВРЗ);

2) создание и изучение свойств двухчастотных полосковых гетеролазеров с симметричным и с асимметричным расположением различных квантовых ям в волноводе;

3) получение и спектрально-угловой анализ излучения вторых и суммарной гармоник в двухчастотных лазерах с составным резонатором;

4) разработка и достижение генерации в самостартующих гетеролазерах на динамических решётках, формируемых в самопересекающейся активной области (СПАО).

Объектом исследования служили инжекционные 1пОаАз/СаАз/1пСаР лазеры оригинальной конструкции, созданные в НИФТИ при ННГУ им. Н.И. Лобачевского на основе гетероструктур, выращенных в группе эпитаксиальной технологии (ГЭТ), возглавляемой Б.Н. Звонковым.

Предметом исследования являлись параметры генерации этих лазеров, прежде всего, спектрально-угловые характеристики их излучения, а также ответственные за них физические явления, связанные со спектральной и пространственной конкуренцией генерируемых мод и нелинейно-оптическими эффектами, обусловленными квадратичной нелинейностью диэлектрической проницаемости полупроводниковой решётки.

Методы исследования.

В работе использовались апробированные методы исследования, прежде всего, снятие вольт-амперных и ватт-амперных характеристик лазеров, измерение спектра и динамических параметров их излучения, определение его диаграммы направленности и поляризации и т.п.

Научная новизна.

Все полученные в диссертации экспериментальные результаты являются оригинальными и показывают, что комбинирование квантовых ям и их специальное расположение в волноводе, а также использование связанных резонаторов или дополнение их селективными элементами открывает широкие возможности управления свойствами гетеролазеров и изменения спектральных и угловых параметров их излучения. Эти возможности обусловлены обнаруженными и исследованными в диссертации физическими закономерностями, которые кратко сформулированы ниже и составляют научную новизну работы.

Научная и практическая значимость.

Продемонстрированная реализация указанных возможностей в ряде конкретных схем гетеролазеров определяет практическую ценность работы. В целом можно утверждать, что проведённые эксперименты указывают новые пути эффективного управления спектром генерации и диаграммой направленности инжекционных гетеролазеров. Эти пути основаны на известных общих принципах, а именно, на 1) выводе излучения через подложку, связанную с внешним селективным элементом - ВРЗ; 2) селекцией мод за счёт специального расположения квантовых ям в волноводе; 3) использовании составных резонаторов; 4) применении динамических голографических решёток, формируемых внутри активной области и заменяющих зеркала на сколах лазерного чипа. Научная значимость работы состоит во вновь предложенных оригинальных конструкциях, позволяющих воплотить эти принципы в реальных устройствах, и детальном экспериментальном изучении новых гетеролазеров.

Основные положения, выносимые на защиту:

а) в полосковых гетеролазерах с выходом излучения через подложку возможно эффективное подавление широкого луча за счёт предложенного комбинированного покрытия торцов и спектрально-угловая перестройка излучения с помощью оригинально присоединённого волноводно-решёточного зеркала;

б) в двухчастотных полосковых гетеролазерах изменение расположения квантовых ям в волноводе существенно влияет на диаграмму направленности излучения (благодаря генерации нескольких поперечных мод), а использование смешанной накачки импульсным и постоянным токами позволяет управлять

относительной интенсивностью двух линий генерации (благодаря динамической конкуренции различных квантовых ям за инжектируемые носители);

в) в полосковых и четырёхсколотых гетеролазерах с асимметричным расположением квантовых ям с различными основными состояниями для широкого диапазона токов накачки возможно сосуществование стандартных волно-водных мод резонатора Фабри-Перо и мод «шепчущей галереи», причём генерация первых и вторых происходит в различных частотных полосах, но не исключает конкуренцию, ведущую к частичному разнесению мод в пространстве и во времени;

г) в разработанных лазерах с составным резонатором реализуется эффективное внутрирезонаторное смешивание разночастотных мод на квадратичной решёточной нелинейности структуры, которое может быть положено в основу работы достаточно эффективных источников когерентного излучения на суммарной и разностной частотах;

д) в самостартующих гетеролазерах с самопересекающейся активной областью генерация обусловлена формированием динамических голотрафиче-ских решёток концентрации носителей, приводящих к существенному изменению диаграммы направленности и прореживанию спектра мод по сравнению с обычными полосковыми лазерами, изготовленными на той же гетероструктуре.

Достоверность.

Достоверность и надёжность полученных результатов обеспечена всей совокупностью использованных апробированных методов исследования, а также проведением измерений на большом числе однотипных образцов, демонстрирующих сходные характеристики.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты, полученные в диссертации, отражены в 38 научных публикациях, в том числе в 9 статьях в рецензируемых изданиях: одна статья в журнале "IEEE Photonics Technology Letters" [Al], одна статья в журнале "Laser Physics" [А2], одна статья в сборнике научных трудов Нижегородского госу-I дарственного университета "Структура и свойства твердых тел" [A3], одна ста-

тья в журнале "Журнал технической физики" [A4], одна статья в журнале "Physics of low-dimensional structures" [A5], одна статья в журнале "Acta Physica Polonica А" [А6], три статьи в журнале "Физика и техника полупроводников" [А7-А9].

Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийских совещаниях "Нанофотоника" (Н.Новгород, 2001-2004 гг.) [А8-А14], 10th European Conférence "Integrated Optics" (Paderborn, Germany, 2001) [Al5], V международной конференции "Оптика, оптоэлектроника и технологии" (Ульяновск, 2003 г.) [А16], Научной конференции по радиофизике (Н.Новгород, 2003

г.) [А17], VI Российской конференции по физике полупроводников "Полупроводники 2003" (Санкт-Петербург, 2003 г.) [А 18, А19], International Conference "Scanning Probe Microscopy-2003" (Nizhny Novgorod, 2003) [A20], International Conference "Scanning Probe Microscopy-2004" (Nizhny Novgorod, 2004) [A5], 12lh International Symposium "Ultrafast Phenomena in Semiconductors" (Vilnius, Lithuania, 2004) [A6], Conference SPIE Europe "Photonics Europe: Semiconductor Lasers and Laser Dynamics" (Strasbourg, France, 2004) [A21], Conference on Lasers and Electro-Optics' 2004 (San Francisco, USA, 2004), 6th International Conference "Mid-Infrared Optoelectronics Materials and Devices" (St.Petersburg, 2004) [A22], 12lh International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (St.Petersburg, 2004) [A23-A25], 13,h International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (St.Petersburg, 2005) [A26, A27], Симпозиуме "Нанофи-зика и наноэлектроника" (Н.Новгород, 2005 г.) [А28-А31], 5-м Белорусско-Российском семинаре "Полупроводниковые лазеры и системы на их основе" (Минск, Беларусь, 2005 г.) [А32, АЗЗ], International Conference on Nonlinear Optics / Laser Applications and Technology (St.Petersburg, 2005) [A34, A35], International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (Yalta, Ukraine, 2005), VII Российской конференции по физике полупроводников (Звенигород, 2005 г.), 17th Conference on Lasers and Electro-Optics/Europe 2005 (Munich, Germany, 2005), Conference on Physics of Quantum Electronics (Snowbird, USA, 2005), a также на семинарах ИПФ РАН, ИФМ РАН, ННГУ им. Н.И. Лобачевского, МГУ и Техасского А & М университета.

Статья по материалам доклада на конференции " Physics of Quantum Electronics" принята к печати в журнале "Journal of Modern Optics" .

Результаты работы представлены также в трудах ежегодных рабочих совещаний "Разработка радиационно-стойких полупроводниковых приборов для систем связи и прецизионных измерений с использованием шумового анализа" по проекту НАТО SfP-973799 Полупроводники (2001, 2003 гг.) [А36-А38].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объём диссертации составляет 159 страниц текста, 99 рисунков и 6 таблиц. Общий список цитируемой литературы содержит 129 наименований, из них 38 работ с участием автора.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, указаны её основные задачи, цели и положения. Кроме того, обсуждаются некоторые известные и вновь предложенные пути управления спектром и диаграммой направленности диодных лазеров, в частности, двухчастотных, которые предна-

значены для исследования и реализации нелинейного внутрирезонаторного смешивания мод.

В первой главе диссертации рассматривается предложенный и реализованный нами практически способ управления спектром гетеролазера 1п-GaAs/GaAs/InGaP с выходом излучения через подложку с помощью волновод-но-решёточного зеркала (ВРЗ), а также способ управления диаграммой направленности такого лазера за счёт комбинированного покрытия его торцов. Спроектировано и создано просветляющее покрытие, необходимое для лазерных диодов, работающих в системе с внешним резонатором, формируемым в частности, ВРЗ.

В разделе 1.1 подробно описываются конструктивные особенности лазерного диода с выходом излучения через подложку, а также приводится принцип действия ВРЗ, основанный на эффекте аномального отражения света в процессе возбуждения гофрированного волновода. Указанный эффект основан на интерференции волн, отражённых в область определённого дифракционного максимума диэлектрической решётки, и волн, излученных из волновода ВРЗ через эту решётку, которая одновременно является внешней поверхностью зеркала. С учётом конструктивной особенности лазера с выводом излучения через подложку (наличие широкого и узкого лучей), а также возможности ВРЗ эффективно отражать и свободно пропускать излучение в зависимости от угла падения, нами предложена и апробирована простая и компактная схема соответствующего лазера. Для этой схемы экспериментально показана возможность получения узкополосного лазерного излучения (с шириной линии < 0,7 нм) и управления длиной волны генерации в интервале шириной 5 нм с высокой температурной стабильностью работы полупроводникового лазера при применении эффекта аномального отражения от внешнего ВРЗ.

Раздел 1.2 посвящён предложенному и практически реализованному способу подавления широкого луча в полупроводниковом лазере с выводом излучения через подложку путём нанесения отражающего покрытия в области эпи-таксиальных слоёв и просветляющего покрытия в области подложки. Применение комбинированного покрытия существенно изменяет диаграмму направленности излучения, а также приводит к уменьшению порогового тока генерации и увеличению её квантовой эффективности на несколько процентов.

В разделе 1.3 проведён анализ морфологии поверхности и оптических свойств плёнок Zr02 и НГОг, полученных электроннолучевым испарением. Показано, что плёнки НГО2 обладают более высокой степенью гладкости, с неровностями высотой ~ 1 нм и латеральными размерами ~ 100 нм, а также более низким отклонением в оптических постоянных, в зависимости от условий напыления, по сравнению с пленками Zr02. С использованием исследованных слоёв НЮ2 спроектировано и изготовлено высоковоспроизводимое просвет-

ляющее покрытие с уровнем отражения 0,2-0,5 %, наносимое на подложку из арсенида галлия или на торец лазерной структуры. Экспериментально продемонстрирована возможность использования полупроводникового лазера с разработанным просветляющим покрытием в системе с внешним резонатором.

Во второй главе приводятся результаты исследования двухчастотных инжекционных лазеров 1пОаАз/ОаАя/1пОаР с симметричным расположением двух типов квантовых ям в волноводном слое. Особое внимание уделяется поведению спектральных и угловых характеристик излучения лазерных диодов в зависимости от величины и вида токовой накачки, а также от температуры (задаваемой элементом Пельтье).

В разделе 2.1 представлены результаты изучения двухчастотной генерации гетеролазера, содержащего в волноводном слое четыре квантовые ямы. Энергии квантов в разных частотных полосах генерации отличались на величины от нескольких до 20 мэВ. Установлено, что различное положение длинноволновых и коротковолновых квантовых ям в волноводе приводит к различию модового состава излучения благодаря разной эффективности возбуждения и конкуренции поперечных мод. В результате возможно формирование довольно разнообразных спектрально-угловых характеристик лазерного излучения.

Раздел 2.2 посвящен двухполосной генерации в гетеролазерах с тремя квантовыми ямами. Спектральные исследования изготовленных лазеров показали, что одновременная генерация двух полос излучения наблюдалась примерно у 50% исследованных (изготовленных) лазерных диодов. Соотношение интенсивностей коротковолнового и длинноволнового пика определялось током накачки, причём с увеличением тока накачки относительная величина интенсивности коротковолнового пика возрастала (инжекционное управление спектральным составом генерируемого излучения).

В разделе 2.3 дан анализ модового состава излучения лазеров, содержащих в волноводном слое три квантовые ямы. Согласно измеренным диаграммам направленности в плоскости, перпендикулярной р-и-переходу, эти лазеры способны одновременно генерировать излучение не только в двух или трёх частотных полосах, но и в нескольких поперечных модах на одной частоте.

С целью выяснения оптимальных условий двухполосной генерации указанных гетеролазеров, содержащих в волноводном слое три квантовые ямы, в разделе 2.4 представлено исследование влияния вида накачки (постоянный и импульсный токи) и температуры чипа на режим работы лазеров. Выявлена сильная температурная зависимость интенсивности линий излучения двухчастотных полупроводниковых лазеров с симметричным расположением квантовых ям двух типов. Установлено, что применение смешанного способа накачки, т.е. одновременной накачки постоянным током (до 2 А) и импульсным током (до 15 А при длительности импульсов 200 не), позволяет получать двух-

и

частотную генерацию даже на лазерах, являющихся одночастотными только при постоянной или только при импульсной накачке. При этом, с учётом варьирования температуры, возникают широкие возможности управления интен-сивностями линий генерации.

В третьей главе изложены результаты экспериментального изучения особенностей работы некоторых из предложенных ранее схем двухчастотной генерации в диодных лазерах 1пОаАз/СаЛз/ГпСаР с асимметричным расположением двух типов квантовых ям в волноводном слое. Особое внимание уделяется анализу пространственной и спектральной конкуренции и сосуществованию различных коротковолновых и длинноволновых мод лазера, включая моды «шепчущей галереи» в четырёхсколотых образцах и асимметричные моды в лазерах с туннельным переходом. Данные исследования показывают возможность расширения диапазона токов накачки, обеспечивающих двухчастотную генерацию диодного лазера с различными квантовыми ямами, расположенными в одном и том же волноводном слое. Ранее экспериментально достигнутая ширина указанного диапазона токов накачки не превышала процентов от порогового тока генерации лазера.

Раздел 3.1 посвящён экспериментальному исследованию особенностей двухчастотной генерации на длинах волн около 1 мкм в недавно сконструированных инжекционных лазерах на гетероструктуре с 9-нм квантовыми ямами двух типов, отличающимися по концентрации индия примерно на 15% и расположенными в волноводе асимметрично. Измерения показали, что диаграмма направленности коротковолнового излучения имеет обычный вид, а длинноволнового является очень размытой в плоскости р-и-перехода.

Интерпретация наблюдаемых режимов работы исследованных лазеров в существенной мере основана на предположении о том, что длинноволновое излучение представляет собой моды типа «шепчущей галереи», а коротковолновое - обычные моды широкого (100 мкм) волновода. Последнее имеет сильно неоднородную структуру в плоскости квантовых ям не столько благодаря большой ширине волновода, сколько вследствие филаментации тока накачки в достаточно узких каналах шириной ~ 10 мкм. Сказанное подтверждается экспериментальными исследованиями поля излучения на выходном торце лазера, проведенными с использованием сканирующей ближнепольной микроскопии, обеспечивающей спектральное разрешение коротко- и длинноволновых мод.

Для обоснования и детализации предложенного сценария генерации лазера с асимметричным расположением квантовых ям в волноводе в разделе 3.2 приведены данные дополнительных экспериментальных исследования, которые подтвердили наличие мод «шепчущей галереи». А именно, были проведены наблюдения такого типа «замкнутой» моды через окно в подложке, которые позволили оценить бриллюэновские углы составляющих её волн и указать соответствующие лучевые траектории в зависимости от геометрии лазерного чи-

па. С учётом анализа микрофотографий (наклонные тёмные полосы параллельны лучам, образующим моды «шепчущей галереи») и геометрии исследуемых чипов, найдены возможные лучевые траектории мод «шепчущей галереи» в плоскости р-н-перехода. Боковые отражения длинноволнового поля, необходимые для формирования мод «шепчущей галереи» в указанной геометрии, можно связать с боковыми гранями и/или границами волновода и токового полоска накачки лазера.

В разделе 3.3 на основе вольт-амперных и спектральных исследований инжекционных гетеролазеров с туннельным переходом внутри единого волновода, впервые выращенных и собранных в НИФТИ ННГУ, показано, что основным препятствием для двухчастотной генерации в данных лазерах является шунтирование туннельного перехода неосновными носителями, и в качестве контрмеры предложено разместить в его окрестности несколько квантовых ям, служащих ловушками для этих носителей. Предложенная схема межзонного каскадного лазера с туннельным переходом в значительной мере снимает проблему конкуренции различных активных квантовых ям за носители, поставляемые накачкой, и позволяет обеспечивать генерацию двух ТЕгмод, близких по частоте, форме и амплитуде, что необходимо для эффективного смешивания мод.

В четвёртой главе рассмотрены результаты исследования внутрирезо-наторной генерации вторых гармоник одночастотных и двухчастотных гетеролазеров ГпСаАв/ОаАвЛпОаР с квантовыми ямами. Реализованная конструкция «двухчипового» лазера с составным резонатором позволила также получить излучение суммарной частоты, обусловленное квадратичной решёточной нелинейностью ваЛв. Нами исследованы и диаграммы направленности излучения удвоенных и суммарных частот. Что касается составного резонатора, то он представляется весьма эффективным для внутрирезонаторного нелинейного смешивания двух разночастотных полей парциальных (состыкованных) лазеров с целью получения излучения не только суммарной, но и разностной частоты в среднем и дальнем ИК диапазонах Однако создание подобного компактного монолитного генератора излучения разностной частоты, работающего в непрерывном режиме при комнатной температуре, представляет отдельную задачу, которая в данной диссертации не решалась.

В разделе 4.1 дан систематический анализ генерации второй гармоники в полупроводниковых лазерах с квантовыми ямами, обязанной квадратичной решёточной нелинейности диэлектрической проницаемости. Продемонстрировано, что на удвоенной частоте линии генерации лазера фактически возбуждается ТМ фундаментальная мода волновода. Изучались свойства второй гармоники, в том числе дополнительные линии в спектре около её пика, а также возможность её использования для визуальной диагностики поля излучения основной частоты, расположенной в ближнем ИК (невидимом) диапазоне.

Раздел 4.2 посвящен генерации вторых гармоник в гетеролазере с двумя центрально расположенными коротковолновыми квантовыми ямами и одной смещённой от центра длинноволновой квантовой ямой. Установлено, что с увеличением тока накачки мощность генерации на удвоенной частоте для длинноволнового излучения растёт, а для коротковолнового - падает, в соответствии с изменением мощности основных гармоник.

В разделе 4.3 приведены результаты экспериментального исследования предложенного и созданного «двухчипового» лазера с составным резонатором, способного генерировать излучение суммарной и разностной частоты за счёт решёточной нелинейности ОаАэ. Проведённые наблюдения излучения суммарной частоты, которое обладает ТМ поляризацией, показывают, что оно может быть эффективным индикатором пространственного перекрытия коротко- и длинноволновой мод на выходном зеркале лазера «Двухчиповая» конструкция в сравнении с двухчастотным монолитным лазером имеет ряд преимуществ, связанных с раздельной накачкой каждого из двух одночастотных лазеров: расширение диапазона генерируемых разностной и суммарной частот за счёт возможности независимого выращивания двух отдельных гетероструктур, использование комбинированной накачки (постоянным и импульсным током), температурное управление излучением двух отдельных чипов и, наконец, что особенно важно для нелинейных эффектов, достижение максимально возможного пространственного перекрытия между основными модами генерации благодаря оптимизации составного резонатора.

В пятой главе представлены результаты исследований новых полупроводниковых лазеров с резонатором, формируемым с участием динамических голографических зеркал на основе решёток населённости (возбуждаемых в активном волноводе пучками излучения), которые существенно усиливают пространственную и частотную селекцию генерируемых мод. Динамические решётки, которые автоматически возникают в области пересечения световых пучков, могут выполнять ту же функцию, что и статические «брэгговские решётки» в волноводах полупроводниковых лазеров с линейным резонатором. Вследствие этого лазеры с динамическими голографическими зеркалами способны обеспечить генерацию более узкополосного излучения, чем аналогичные по мощности полупроводниковые лазеры с обычными зеркалами. Подобные схемные решения резонаторов ранее использовались только для неполупроводниковых (твёрдотельных) лазеров.

В разделе 5.1 дано введение в проблему и изложены основы физики самостартующих лазеров на динамических решётках.

Для создания новых полупроводниковых лазеров на динамических решётках была разработана схема волновода с самопересекающейся активной областью (СПАО), принцип действия и особенности изготовления которой об-

суждаются в разделе 5.2. Основная идея состоит в использовании двух симметрично наклонённых к оси волновода полосков инжекционной накачки, которые инициируют стимулированное усиление соответствующих пересекающихся световых пучков, интерферирующих между собой и создающих динамическое топографическое зеркало. Именно оно формирует резонатор и фактически исключает из игры зеркало на сколе лазерного чипа, по-новому осуществляя селекцию генерируемых мод и существенно изменяя диаграмму направленности выходящего излучения.

В разделе 5.3 приведены экспериментальные исследования спектров и диаграмм направленности гетеролазеров с СПАО, которые стабильно генерируют при комнатной температуре как в непрерывном, так и в импульсном режиме с дифференциальной квантовой эффективностью порядка 10%. Диаграмма направленности их излучения имеет два ярко выраженных лепестка, соответствующих двум пересекающимся полоскам инжекционной накачки, а спектр генерируемых продольных мод прорежен и в 2-3 раза уже по сравнению со спектром стандартных однополосковых лазеров на той же гетероструктуре. Для более глубокого понимания процессов, происходящих в лазерах с СПАО, в разделе также рассмотрены лазеры с одним наклонным волноводом, ориентированным не ортогонально сколам лазерного чипа, а в заключении намечены некоторые пути повышения качества селекции мод и увеличения квантовой эффективности гетеролазеров с СПАО.

В Заключении перечислены основные результаты диссертации.

Список литературы разделён на цитируемые и авторские работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан и создан компактный, узкополосный, перестраиваемый, стабильный гетеролазер 1пОаАз/СаАз/1пСаР с выходом излучения через подложку с волноводно-решёточным зеркалом. Для лазеров этого типа спроектировано и изготовлено высоковоспроизводимое просветляющее покрытие на основе сло-ёв НЮ2 на торце лазерной структуры с коэффициентом отражения 0,2-0,5 %.

2. Предложен и практически реализован способ подавления широкого луча в полупроводниковом лазере 1пСаАз/ОаАз/1пСаР с выходом излучения через подложку путём нанесения отражающего покрытия в области эпитаксиальных слоёв и просветляющего покрытия в области подложки, формирующей узкий луч.

3. В лазерах 1пСаАз/ОаАз/1пОаР с симметричным расположением двух типов квантовых ям в волноводном слое обнаружена генерация на двух частотах одновременно. Она может быть реализована как на одной поперечной моде, так и

на нескольких поперечных модах. Установлена возможность варьирования диаграммы направленности излучения лазеров путём изменения расположения квантовых ям в волноводе.

4. Впервые продемонстрировано, что одновременная накачка постоянным и импульсным током позволяет эффективно управлять интенсивностями линий генерации в InGaAs/GaAs/InGaP лазерах с фемя квантовыми ямами двух типов. Выбором параметров комбинированной накачки и температуры лазера можно получить генерацию только в длинноволновой или только в коротковолновой полосе усиления, либо двухчастотную генерацию.

5. Проведённые исследования гетероструктур InGaAs/GaAs/InGaP с асимметричным расположением двух типов квантовых ям в волноводном слое впервые показали возможность двухчастотной генерации лазеров такого типа в широком диапазоне токов от 0,2 А при постоянной накачке до более чем 10 А при импульсной 200-наносекундной накачке. Экспериментально доказано, в том числе путём исследования TM-поляризованного излучения вторых гармоник, что длинноволновую полосу генерации данных двухчастотных диодных лазеров обеспечивают не стандартные волноводные моды, а моды «шепчущей галереи», существование и порог генерации которых зависит от геометрии как лазерного чипа, так и токовой накачки.

6. Разработан и создан двухчастотный InGaAs/GaAs/InGaP лазер с составным резонатором, предназначенный для генерации излучения суммарной и разностной частот. В этом лазере получено когерентное излучение на удвоенных и суммарной гармониках, обусловленное решёточной нелинейностью GaAs.

7. Предложен и реализован самостартующий инжекционный InGaAs/GaAs/InGaP лазер с самопересекающейся активной областью, резонатор которого формируется с участием динамических решёток, индуцируемых в активной среде интерференционным полем световых волн генерации. Лазер стабильно генерирует при комнатной температуре как в непрерывном, так и в импульсном режиме с дифференциальной квантовой эффективностью порядка 10%. Диаграмма направленности его излучения имеет два ярко выраженных лепестка, соответствующих пересекающимся полоскам накачки, а спектр генерируемых им продольных мод прорежен и в 2-3 раза уже по сравнению со спектром стандартного однополоскового лазера на той же гетероструктуре.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

[1] Quantum-well heterostructure lasers / N. Holonyak, Jr., R.M. Kolbas, R.D. Dupuis, P.D. Dapkus // IEEE J. Quantum Electronics. - 1980. - Vol. QE-16, № 21.-P. 170-186.

[2] Зи, С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах / С. Зи. - М.: Мир, 1984. - Кн. 2. - 456 с.

[3] High-Power Diode Lasers: Fundamentals, Technology, Applications / Roland Diehl, (Ed). - New York: Springer, 2000. - 430 p.

[4] Intersubband Transitions in Quantum Wells. Physics and Device Applications II, in: Semiconductors and Semimetals / H.C. Liu (Ed), F. Capasso (Ed). - New York: Academic Press, 2000. - Vol. 66. - 226 p.

[5] Сверхнизкие внутренние оптические потери в квантово-размерных лазерных гегероструктурах раздельного ограничения / С.О. Слипченко, Д.А. Винокуров, Н.А. Пихтин, З.Н. Соколова, A.JI. Станкевич, И.С. Тарасов, Ж.И. Алфёров // ФТП. - 2004. - Т. 38, вып. 12. - С. 1477-1486.

[6] Surface Emitting Semiconductor Lasers and Arrays / G.A. Evans (Ed), J.M. Hammer (Ed). - Boston: Academic Press, Inc. Harcourt Brace & Company, Publishers, 1993.-420 p.

[7] Частотная модуляция излучения двухкомпонентного инжекционного лазера с составным резонатором / И.С. Голдобин, В.Н. Лукьянов, В.И. Малахова, С.П. Прокофьева, А.Ф. Солодков, Ю.А. Тамбиев, С.Д. Якубович // Квантовая электроника. - 1984.-Т. 11,№9.-С. 1859-1862.

[8] Авруцкий, И А. Исследование процессов возбуждения, излучения и отражения свста в гофрированных волноводах. / И.А. Авруцкий, В.А. Сычугов, А.В. Тищенко // Волноводные гофрированные структуры в интегральной и волоконной оптике: Труды ИОФАН. - М: Наука, 1991. - Т. 34. - С. 3-98.

[9] Генератор терагерцового излучения, основанный на нелинейном преобразовании частоты в двойном вертикальном резонаторе / Ю.А. Морозов, И.С. Нефедов, В Я. Алёшкин, И.В. Красникова // ФТП. - 2005. - Т. 39, вып. 1. -С. 124-130.

[10] Nonlinear Optics in Semiconductors I, in: Semiconductors and Semimetals / E. Garmire (Ed), A. Kost (Ed). - San Diego: Academic Press, 1999. - Vol. 58.-410 P.

[11] Nonlinear Optics in Semiconductors II, in: Semiconductors and Semimetals / E. Garmire (Ed), A. Kost (Ed). - San Diego: Academic Press, 1999. - Vol. 59. -318 p.

[12] Восканян, А.В. Преобразование частоты на квантовых системах с дискретными уровнями энергии / А.В. Восканян, Д.Н. Клышко, B.C. Туманов // ЖЭТФ. - 1963.-Т. 45, вып. 5(11).-С. 1349-1407.

[13] Phase-matched second harmonic generation in asymmetric double quantum wells / K.L. Vodopyanov, K.O' Neill, G.B. Serapiglia, [et al.] // Appl. Phys. Lett. - 1998. - Vol. 72, № 21. - P. 2654-2656.

[14] Asymmetric multiple-quantum-well heterostructure laser systems: conception, performance, and characteristics / V.K. Kononenko, A.A. Afonenko, I.S. Manak, S.V. Nalivko // Opto-Electronics Rev. - 2000. - Vol. 8, № 3. - P. 241-250.

[15] Афоненко, А.А. Динамика генерации многочастотных квантово-размерных гетеролазеров / А.А. Афоненко, В.К. Кононенко, И.С. Манак // Изв. АН. Сер. физ. - 2001. - Т. 65, № 2. - С. 227-229.

[16] Mid-infrared and THz coherent sources using semiconductor-based materials / H. Takahashi, H. Murakami, [et al.] // Topics Appl. Phys. - 2003. - Vol. 89. - P. 425-445.

[17] Liu, R.-B. Tunable terahertz emission from difference frequency in biased su-perlattices / R.-B. Liu, B.-F. Zhu // Appl. Phys. Lett. - 2004. - Vol. 84, № 15. - P. 2730-2732.

[18] Enhanced tunable terahertz generation in photonic band-gap structures / J.W. Haus, P. Powers, P. Bojja, [et al.] // Laser Physics. - 2004. - Vol. 14, № 5. - P. 635-642.

[19] Berger, V. Nonlinear phase matching in THz semiconductor waveguides / V. Berger, C. Sirtori // Semicond. Sci. Technol. - 2004. - Vol. 19. - P. 964-970.

[20] Лазерные транзисторы для многочастотной генерации в видимом и инфракрасном диапазонах / А.А. Белянин, В.В. Кочаровский, Вл.В. Кочаров-ский, Д.С. Пестов, М.О. Скалли // Изв. АН. Сер. физическая. - 2003. - Т. 67, №2.-С. 262-265.

[21] Vorob'ev, L.E. Intraband population inversion and amplification of IR radiation through charge-carrier injection into quantum wells and quantum dots / L.E. Vorob'ev // JETP Lett. - 1998. - Vol. 68, № 5. - P. 417-425.

[22] Новые схемы полупроводниковых лазеров и освоение терагерцового диапазона / А.А. Белянин, Д. Деппе, В.В. Кочаровский, Вл.В. Кочаровский, Д.С. Пестов, М.О. Скалли //УФН. -2003. -Т. 173, №9. -С. 1015-1021.

[23] Перспективы создания источников излучения среднего ИК диапазона на основе внутризонных межуровневых переходов носителей заряда в инжек-ционных лазерных гетероструктурах с квантовыми точками и ямами / Л Е. Воробьёв, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин, В.Н. Тулупенко, Н.Н. Леденцов, П.С. Копьёв, В.М. Устинов, Ю.М. Шерняков, Ж.И. Алфёров // УФН. - 2004. - Т. 169, №4.-С. 459-464.

[24] Fresnel phase matching for three-wave mixing in isotropic semiconductors / R. Haidar, N. Forget, P. Kupecek, E. Rosencher // J. Opt. Soc. Amer. - 2004. - Vol. 21, №8.-P. 1522-1534.

[25] Tunable terahertz waves generated by mixing two copropagating infrared beams in GaP / W. Shi, Y. Ding // Opt. Lett. - 2005. - Vol. 30. - P. 265-267.

[26] Tunable mid-infrared generation by difference frequency mixing of diode laser wavelengths in intersubband InGaAs/AlAs quantum wells / N.C. Chui, G.L. Woods, M.M. Fejer, [et al.] // Appl. Phys. Lett. - 1995. - Vol. 66, № 3. - P. 265267.

[27] Intracavity sum-frequency generation in GaAs quantum cascade lasers / J.-Y. Bengloan, A. De Rossi, V. Ortiz, [et a!.] // Appl. Phys. Lett. - 2004. - Vol. 84, № 12.-P. 2019-2021.

[28] Four-wave mixing and direct terahertz emission with two-color semiconductor lasers / S. Hoffmann, M. Hoffmann, E. Brundermann, [et al.] // Appl. Phys. Lett. -2004.-Vol. 84, № 18.-P. 3585-3587.

[29] Одновременная интерфейсная и межзонная лазерная генерация в гетеро-структуре InAs/InAsSbP, выращенной методом газофазной эпитаксии из ме-таллоорганических соединений / А.П. Астахов, Н.Д. Ильинская, А.Н. Имен-ков, [и др.] / Письма в ЖТФ. - 2004. - Т. 30, вып. 24. - С. 26-30.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

[Al] Compact, Tunable, Narrow Band LD Based on Emission Through the Substrate and an External Abnormal-Reflection Mirror / N.V. Baidus, I.F. Salakhutdi-nov, HJ.W.M. Hoekstra, B.N. Zvonkov, S.M. Nekorkin, V.A. Sychugov // IEEE Photonics Technology Letters.-2001.-Vol. 13,№ 11.-P. 1155-1157.

[A2] Tunable Wide-Aperture Semiconductor Laser with an External Waveguide-Grating Mirror / V.A. Sychugov, D.Kh. Nurligareev, V.V. Svetikov, I.F. Salak-hutdinov, B.N. Zvonkov, N.V. Baidus, S.M. Nekorkin, H.Y.W.M. Hoekstra // Laser Physics. - 2002. - Vol. 12, № 2. - P. 691 - 696.

[A3] АСМ-исследования и оптические свойства оксидных пленок для многослойных просветляющих покрытий / Ю.С. Логушкова, Е.И. Малышева, С.М. Некоркин, [и др.] // Структура и свойства твердых тел: Сб. науч. тр. - Н. Новгород: ННГУ, 2003. - С. 128-133.

[А4] Влияние селективного химического травления на диаграмму направленности излучения полупроводникового лазера / В.П. Мишкин, Д.О. Филатов, С.М. Некоркин, Ю.В. Кутергина // ЖТФ. -2004. - Т. 38, вып. 3. - С. 366-368.

[А5] Investigation of the Two-Frequency Laser Diodes by Spectrum-Resolved Scanning Near-Field Optical Microscopy / D.O. Filatov, G.A. Maximov, V.P. Mishkin, V.V. Levichev, S.M. Nekorkin, S.V. Morozov // Physics of low -dimensional structures. - 2004. - Vol.1/2. - P. 173-178.

[A6] Parametric generation of middle and far infrared radiation in GaAs-based semiconductor lasers and waveguides / V.Ya. Aleshkin, A.A. Afonenko, V.I. Gavrilenko, A.A. Dubinov, Vl.V. Kocharovsky, S.V. Morozov, K.V. Maremjanin, S.M. Nekorkin, B.N. Zvonkov, N.B. Zvonkov // Acta Physica Polonica A. - 2005. -Vol. 107,№ l.-P. 7-13.

[A7] Конкуренция мод, неустойчивость и генерация вторых гармоник в двух-частотных InGaAs/GaAs/InGaP лазерах / В.Я. Алёшкин, Б.Н. Звонков, С.М. Некоркин, Вл.В. Кочаровский // ФТП. - 2005. - Т. 39, вып. 1. - С. 171-174.

[А8] Сине-зелёное излучение в полупроводниковых лазерах с квантовыми ямами на основе GaAs / H.B. Байдусь, A.A. Бирюков, Б.Н. Звонков, С.М. Не-коркин, В.Я. Алёшкин // ФТП. -2004. - Т. 38, вып. 3. - С. 366-368.

[А9] Наблюдение излучения среднего инфракрасного диапазона в полупроводниковых лазерах, генерирующих две частотные полосы в ближнем инфракрасном диапазоне / В.Я. Алёшкин, В.И. Гавриленко, C.B. Морозов, К.В. Маремьянин, Б.Н. Звонков, С.М. Некоркин // ФТП. - 2005. - Т. 39, вып. 1. -С. 153-156.

[А 10] Двухполосная генерация в полупроводниковом лазере с квантовыми ямами / В.Я. Алёшкин, Б.Н. Звонков, Н.Б. Звонков, С.М. Некоркин // Нано-фотоника - 2001: Мат. совещания, Н. Новгород, 26-29 марта 2001 г. -Н.Новгород: ИФМ РАН, 2001. - С. 224-226.

[All] Генерация нескольких поперечных мод в полупроводниковом лазере с квантовыми ямами / В.Я. Алёшкин, Б.Н. Звонков, Н.Б. Звонков, С М. Некоркин // Нанофотоника - 2002: Мат. совещания, Н. Новгород, 11-14 марта 2002 г. - Н.Новгород: ИФМ РАН, 2002. - С. 274-276.

[А 12] Двухчастотный лазер с управлением мощности линий током накачки /

B.Я. Алёшкин, В.И. Гавриленко, C.B. Морозов, A.A. Афоненко, Б.Н. Звонков, Ю.В. Кутергина, С.М. Некоркин // Нанофотоника - 2003: Мат. совещания, Н. Новгород, 17-20 марта 2003 г. - Н.Новгород: ИФМ РАН, 2003. - Т. 2. -С. 315-317.

[А 13] Генерация второй гармоники в полупроводниковом лазере In-GaAs/GaAs/InGaP / В.Я. Алёшкин, Н.В. Байдусь, A.B. Бирюков, Б.Н. Звонков,

C.М. Некоркин // Нанофотоника - 2003: Мат. совещания, Н. Новгород, 17-20 марта 2003 г. - Н.Новгород: ИФМ РАН, 2003. - Т. 2. - С. 414-416.

[А 14] Полупроводниковый лазер на гетероструктурах TnGaAs/GaAs/InGaP с динамическими голографическими зеркалами на основе решёток населённости / O.JI. Антипов, С.Н. Лобанов, Б.Н. Звонков, С.М. Некоркин // Нанофотоника - 2004: Мат. совещания, Н. Новгород, 2-6 мая 2004 г. - Н.Новгород: ИФМ РАН, 2004. - С. 232-234.

[Al 5] A tunable, narrow band semiconductor laser diode based on emission through the substrate and an external abnormal-reflection mirror / N.V. Baidus, I.F. Salak-hutdinov, H.J.W.M. Hoekstra, B.N. Zvonkov, S.M. Nekorkin, V.A. Sychugov // Postdeadline Papers of the 10th European Conference on Integrated Optics, Paderborn, Germany, April 4-6, 2001. - 2001. - P. 1-4.

[A 16] Ионно-имплантационная изоляция в формировании лазерных структур на основе GaAs / Ю.А. Данилов, Б.Н. Звонков, С.М. Некоркин, В.К. Васильев, Ю.В. Васильева // Оптика, оптоэлектроника и технологии: Труды конференции. - Ульяновск, 2003. - С. 181.

[Al7] Бабушкина, Т.С. Температурные зависимости плотности порогового тока и дифференциальной квантовой эффективности гетеролазеров In-

GaP/GaAs/InGaAs / T.C. Бабушкина, С.М. Некоркин // Труды научной конференции по радиофизике. - Н.Новгород: ННГУ, 2003. - С. 52-53.

[А 18] Решёточная нелинейность в полупроводниковых лазерах на гетерострук-туре InGaAs/GaAs/InGaP / В.Я. Алёшкин, Н.В. Байдусь, А.А. Бирюков, Б.Н. Звонков, С.М. Некоркин // Полупроводники 2003: Тез. докл., Санкт-Петербург, 27-31 октября 2003 г. - Санкт-Петербург: ФТИ им. А.Ф. Иоффе,

2003.-С. 307-308.

[А 19] Управление интенсивностями линий генерации двухчастотного лазера / В.Я. Алёшкин, Б.Н. Звонков, В.И. Гавриленко, С.В. Морозов, А.А. Афонен-ко, С.М. Некоркин, Ю.В. Кутергина, К.В. Маремьянин // Полупроводники 2003: Тез. докл., Санкт-Петербург, 27-31 октября 2003 г. - Санкт-Петербург: ФТИ им. А.Ф. Иоффе, 2003. - С. 512-513.

[А20] Surface morphology and optical properties of thin-film antireflection coatings for high-power semiconductor laser diodes / A.V. Ershov, E.I. Malysheva, S.M. Nekorkin, B.N. Zvonkov, D.O. Filatov, V.V. Levichev // Scanning Probe Microscopy - 2003: Proceedings, N.Novgorod, May 2-5, 2003. - Н.Новгород: ИФМ PAH, 2003.-C. 143-145.

[A21] Self-organizing diode laser with cavity formed by dynamic gratings / O.L. Antipov, S.N. Lobanov, S.M. Nekorkin, B.N. Zvonkov // Semiconductor Lasers and Laser Dynamics: SPIE Proceedings, Strasburg, France, 27-30 April 2004 / Editors Daan Lenstra, Geert Morthier, Thomas Erneux, Markus Pessa. - 2004. -Vol. 5452.-P. 183-190.

[A22] Detection of emission in the mid IR in semiconductor lasers generating two frequency lines in the near IR range / V.Ya. Aleshkin, B.N. Zvonkov, V.I. Gavri-lenko, S.V. Morozov, S.M. Nekorkin, K.V. Maremjanin, G.A. Maximov, D.O. Filatov, V.V. Levichev, V.P. Mishkin // Mid-infrared Optoelectronics Materials and Devices: Proceedings, St.Petersburg, Russia, 28 June-2 July, 2004. -St.Petersburg: Ioffe Institute, 2004. - P. 80-81.

[A23] Experimental observation of emission of mid IR in semiconductor lasers generating two frequency lines in the near IR range / V.Ya. Aleshkin, B.N. Zvonkov, V.I. Gavrilenko, S.V. Morozov, S.M. Nekorkin, K.V. Maremjanin // Nanostruc-tures: Physics and Technology: Proceedings, St.Petersburg, Russia, June 21-25,

2004. - St.Petersburg: Ioffe Institute, 2004. - P. 54-55.

[A24] Interband cascade lasers for difference-frequency generation / S.A. Akhles-tina, V.Ya. Aleshkin, A.A. Belyanin, A.A. Biryukov, D. Deppe, A.A. Dubinov, N.G. Kalugin, V.V. Kocharovsky, Vl.V. Kocharovsky, S.M. Nekorkin, D.S. Pe-stov, M.O. Scully, B.N. Zvonkov, N.B. Zvonkov // Nanostructures: Physics and Technology: Proceedings, St.Petersburg, Russia, June 21-25, 2004. -St.Petersburg: Ioffe Institute, 2004. - P. 81-82.

[A25] Whispering-gallery vs. standard ТЕ modes and second harmonics in dual-wavelength InGaAs/GaAs/InGaP heterolasers / V.Ya. Aleshkin, Vl.V. Ко-

charovsky, S.M. Nekorkin, B.N. Zvonkov // Nanostructures: Physics and Technology: Proceedings, St.Petersburg, Russia, June 21-25, 2004. - St.Petersburg: Ioffe Institute, 2004. - P. 85-86.

[A26] Generation of sum harmonic in two-chips GaAs/InGaAs/InGaP laser with composite resonator / K.V. Maremjanin, S.M. Nekorkin, A.A. Biryukov, S.V. Morozov, V.Ya. Aleshkin, V.I. Gavrilenko, VI.V. Kocharovsky // Nanostructures: Physics and Technology: Proceedings, St.Petersburg, Russia, June 20-25, 2005. -St.Petersburg: Ioffe Institute, 2005. - P. 106-107.

[A27] New designs and recent experiments on intracavity mode mixing in semiconductor lasers for mid/far - IR generation / V.Ya. Aleshkin, A.A. Afonenko, A.A. Belyanin, A.A. Biryukov, A.A. Dubinov, V.V. Kocharovsky, Vl.V. Kocharovsky, S.V. Morozov, S.M. Nekorkin, M.O. Scully, B.N. Zvonkov, N.B. Zvonkov // Nanostructures: Physics and Technology: Proceedings, St.Petersburg, Russia, June 20-25, 2005. - St.Petersburg: Ioffe Institute, 2005. - P. 238-239.

[A28] Nonlinear optics of semiconductor nanostructures and intracavity mixing of laser modes: progress in theory and recent experiments / V.Ya. Aleshkin, A.A. Afonenko, A.A. Belyanin, A.A. Biryukov, A.A. Dubinov, V.V. Kocharovsky, Vl.V. Kocharovsky, S.V. Morozov, S.M. Nekorkin, M.O. Scully, B.N. Zvonkov, N.B. Zvonkov // Нанофизика и наноэлектроника: Мат. симпозиума, Н.Новгород, 25-29 марта 2005 г. - Н.Новгород: ИФМ РАН, 2005. - Т. 1. - С. 42-43.

[А29] Исследование двухчастотных лазеров методом спектрально разрешённой Ближнепольной Сканирующей Оптической Микроскопии / Д.О. Филатов, Г.А. Максимов, В.В. Левичев, С.М. Некоркин // Нанофизика и наноэлектроника: Мат. симпозиума, Н.Новгород, 25-29 марта 2005 г. - Н.Новгород: ИФМ РАН, 2005,- Т. 1.-С. 128-129.

[А30] Некоркин, С. М. Особенности генерации лазера с двумя типами квантовых ям в волноводном слое при одновременной импульсной и постоянной накачке / С.М. Некоркин // Нанофизика и наноэлектроника: Мат. симпозиума, Н.Новгород, 25-29 марта 2005 г. - Н.Новгород: ИФМ РАН, 2005. - Т. 2. -С. 441-442.

[А31] Генерация суммарной гармоники в полупроводниковых лазерах 1п-GaP/GaAs/InGaAs с составным резонатором / С.М. Некоркин, А.А. Бирюков, К.В. Маремьянин, В.Я. Алёшкин, С.В. Морозов, Вл.В. Кочаровский // Нанофизика и наноэлектроника: Мат симпозиума, Н.Новгород, 25-29 марта 2005 г. - Н.Новгород: ИФМ РАН, 2005. - Т. 2. - С. 443-444.

[А32] Некоркин, С.М. Динамическая решётка - элемент обратной связи в диодных лазерах / С.М. Некоркин, О.Л. Лобанов, С.Н. Лобанов // Полупроводниковые лазеры и системы на их основе: Сборник статей 5-го Белорусско-Российского семинара, Минск, Беларусь, 1-5 июня 2005 г. - Минск; Институт физики им. Б.И. Степанова, 2005. - С. 91-94.

[АЗЗ] Генерация суммарной гармоники в «двухчиповом» полупроводниковом лазере GaAs/InGaAs/InGaP с составным резонатором / C.B. Морозов, С.М. Некоркин, К.В. Маремьянин, A.A. Бирюков, В.Я. Алёшкин, В.И. Гавриленко, Б.Н. Звонков, Н.Б. Звонков, Вл.В. Кочаровский // Полупроводниковые лазеры и системы на их основе: Сборник статей 5-го Белорусско-Российского семинара, Минск, Беларусь, 1-5 июня 2005 г. - Минск: Институт физики им. Б.И. Степанова, 2005. - С. 95-98.

[А34] Optical mixing in GaAs/InGaAs/InGaP butt-joint diode lasers: new scheme for the sum- and difference-frequency generation / S.M. Nekorkin, B.N. Zvonkov, A.A. Biryukov, A.A. Belyanin, V.Ya. Aleshkin, S.V. Morozov, V.V. Ko-charovsky, VI .V. Kocharovsky, M.O. Scully // SPIE Proceedings: International Conference on Nonlinear Optics 2005. - St.Petersburg: Ioffe Institute, 2005. -Vol. 3184.-P. 349-356.

[A35] Novel dual-wavelength InGaAs/GaAs/lnGaP lasers: second harmonics and competition of whispering-gallery and standard ТЕ modes / V.Ya. Aleshkin, VI. V. Kocharovsky, S.M. Nekorkin, B.N. Zvonkov, N.B. Zvonkov, D.O. Filatov, V.V. Levichev // SPIE Proceedings: Laser Applications and Technology 2005. -St.Petersburg: Ioffe Institute, 2005. - Vol. 3185. - P. 287-292.

[A3 6] Исследование пространственной структуры излучения полупроводниковых ИК-лазеров в ближней и дальней зонах с субволновым разрешением / Д.О. Филатов, A.B. Круглов, Б.Н. Звонков, С.М. Некоркин, С.А. Ахлёстина // Разработка радиационно стойких полупроводниковых приборов для систем связи и прецизионных измерений с использованием шумового анализа: Труды 1-го совещания по проекту НАТО SfP-973799 Полупроводники, Н.Новгород, апрель 2001 г. / Ред. A.B. Якимов. - Н.Новгород: TAJIAMC, 2001.-С. 136-138.

[A3 7] Модовый состав излучения полупроводникового лазера, содержащего в активной области два типа квантовых ям / В.А. Алёшкин, Б.Н. Звонков, Н.В. Байдусь, С.М. Некоркин // Разработка радиационно стойких полупроводниковых приборов для систем связи и прецизионных измерений с использованием шумового анализа: Труды 1-го совещания по проекту НАТО SfP- 1 973799 Полупроводники, Н.Новгород, апрель 2001 г. / Ред. A.B. Якимов. -Н.Новгород: ТАЛАМС, 2001. - С. 141-144.

[A3 8] Способ подавления широкого луча в лазере с выходом излучения через подложку / С.М. Некоркин, Н.В. Байдусь, A.B. Ершов, С.А. Ахлёстина, Б.Н Звонков // Разработка радиационно стойких полупроводниковых приборов для систем связи и прецизионных измерений с использованием шумового анализа: Труды 3-го совещания по проекту НАТО SfP-973799 Полупроводники, Н.Новгород, апрель 2003 г. / Ред. A.B. Якимов. - Н.Новгород: ТАЛАМС, 2003. - С. 96-100.

Подписано в печать 28.10.2005. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 1. Зак. 1437. Тир. 100. *

Типография Нижегородского госуниверситета. Лиц. ПД № 18-0099 от 04.05.2001. 603000, Н. Новгород, ул. Б. Покровская, 37.

№21 520

РНБ Русский фонд

2006-4 22143

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. УПРАВЛЕНИЕ СПЕКТРОМ И ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА ф С ВЫВОДОМ ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ПОДЛОЖКУ.

1.1. Управление спектром гетеролазера с помощью волноводнорешёточного зеркала.

1.1.1. Полупроводниковый лазер InGaAs/GaAs/InGaP с выводом излучения через подложку.

1.1.2. Волноводно-решёточное зеркало.

1.1.3. Принцип действия компактного перестраиваемого гетерола зера с внешним волноводно-решёточным зеркалом.

1.1.4. Экспериментальные результаты и обсуждение.

1.2. Управление диаграммой направленности гетеролазера с помощью комбинации отражающего и просветляющего покрытий.

• 1.2.1. Особенности изготовления лазерных диодов.

1.2.2. Нанесение отражающих и просветляющих покрытий.

1.2.3. Экспериментальные результаты и обсуждение.

1.3. Просветляющие покрытия лазерных диодов в системах с внешним резонатором.

1.3.1. Расчёт многослойных просветляющих покрытий.

1.3.2. Методики измерения спектров отражения и топографических исследований.

1.3.3. Подготовка и тестирование образцов-спутников.

1.3.4. Результаты атомно-силовой микроскопии.

1.3.5. Результаты расчётов и измерений спектров отражения просветляющих покрытий на основе плёнок HfCb.

1.3.6. Испытание просветляющего покрытия на лазерной структуре

1.4. Выводы.

ГЛАВА 2. ДВУХЧАСТОТНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ В ЛАЗЕРНЫХ ДИОДАХ С СИММЕТРИЧНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ КВАНТОВЫХ ЯМ В ВОЛНОВОДЕ. 2.1. Двухполосная генерация в гетеролазере InGaAs/GaAs/InGaP с четырьмя квантовыми ямами.

2.2. Наблюдение двухполосной генерации в гетеролазере с тремя квантовыми ямами.

2.3. Генерация нескольких поперечных мод и особенности диаграмм направленности излучения в двухчастотном лазере.

2.4.Управление интенсивностью линий генерации двухчастотного лазера током и температурой. ф 2.4.1. Постоянная накачка.

2.4.2. Смешанная накачка импульсным и постоянным токами.

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХЧАСТОТНЫХ ГЕТЕРОЛАЗЕРОВ С АСИММЕТРИЧНЫМ

РАСПОЛОЖЕНИЕМ КВАНТОВЫХ ЯМ В ВОЛНОВОДЕ.

3.1. Двухполосная генерация в гетеролазере InGaAs/GaAs/InGaP с двумя центрально расположенными коротковолновыми квантовыми ямами и одной смещённой от центра длинноволновой квантовой ямой ф 3.1.1. Параметры гетероструктуры и изготовление лазерных диодов

3.1.2. Результаты спектральных измерений и особенности двухчас-тотной генерации.

3.1.3. Диаграммы направленности и интерпретация экспериментальных данных.

3.2. Наблюдение моды «шепчущей галереи» и её конкуренции с ос* новной модой в двухчастотных четырёхсколотых диодных лазерах.

3.3. Гетеролазеры с туннельным переходом.

• 3.3.1. Особенности гетероструктуры и выбор рабочей моды лазерных диодов.

3.3.2. Спектральные и вольт-амперные данные и пути достижения двухчастотной генерации.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. ГЕНЕРАЦИЯ ВТОРОЙ И СУММАРНОЙ

ГАРМОНИК В ГЕТЕРОЛАЗЕРАХ С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ 103 4.1. Исследование особенностей излучения второй гармоники в полупроводниковых лазерах InGaAs/GaAs/InGaP. м 4.2. Генерация вторых гармоник в двухчастотных лазерах.

4.3. Получение суммарной гармоники в полупроводниковых лазерах с составным резонатором.

4.3.1. Гетероструктуры и особенности изготовления лазеров с соф ставным резонатором.

4.3.2. Экспериментальные результаты и их интерпретация.

4.4. Выводы.

ГЛАВА 5. САМОСТАРТУЮЩИЕ InGaAs/GaAs/InGaP

ГЕТЕРОЛАЗЕРЫ НА ДИНАМИЧЕСКИХ РЕШЁТКАХ.

5.1. Лазеры на динамических решетках.

5.2. Принцип действия и изготовление самостартующего гетеролазера

5.3. Экспериментальные исследования спектров и диаграмм направленности и их обсуждение. ф 5.3.1. Лазерные диоды с ионной изоляцией вне самопересекающейся активной области.

5.3.2. Лазерные диоды с наклонными активными областями.

5.3.3. Лазерные диоды с вытравленным верхним слоем InGaP вне самопересекающейся активной области.

5.4. Выводы.

Перспективность инжекционных гетеролазеров с квантовыми ямами была осознана около четверти века тому назад; см., например, [1, 2] и ссылки там. Однако до сих пор широкие возможности этих замечательных генераторов когерентного света остаются далеко не исчерпанными, появляются всё новые и новые их модификации, продолжает изучаться глубокая физика происходящих в них разнообразных явлений. В техническом отношении к настоящему времени достигнут громадный прогресс в создании полупроводниковых лазеров указанного типа. Освоен диапазон длин волн от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области спектра, получена мощность излучения до нескольких ватт в непрерывном режиме с активной полоски сечением порядка 1x10 мкм". Эффективность преобразования электрической энергии в оптическую в лазерных диодах доходит до 10-70 % (в зависимости от диапазона длин волн) [3-5]. Созданы одномерные и двумерные решётки лазерных диодов с киловаттным уровнем выходной мощности [6]. Такие решётки, в частности, используются для накачки твёрдотельных лазеров вместо импульсных ламп и совершенно изменяют параметры этих лазеров в отношении габаритов, веса и экономичности.

Почему в подобных системах лазерные диоды приходится использовать как источники накачки твёрдотельных лазеров, а не как непосредственные источники когерентного излучения? Дело в том, что излучение лазерного диода, особенно мощного, имеет плохую временную и пространственную когерентность. Лазерные диоды обладают большой шириной спектральной линии (3-5 нм для мощных лазеров и 0,3-0,5 нм для маломощных одномодо-вых лазеров с селекцией мод, осуществляемой дифракционной решёткой), а распределение интенсивности в пучке излучения отличается от гауссова, что не даёт возможности тонкой фокусировки пучка [3,6].

Эти факты не позволяют применять имеющиеся лазерные диоды для многих практически важных приложений. Было проведено довольно много исследований, направленных на разработку способов улучшения качества излучения лазерных диодов, однако, как правило, небольшие улучшения качества излучения сопровождаются большими потерями мощности.

В целом можно констатировать необходимость и актуальность дальнейших исследований, особенно экспериментальных, по выяснению путей управления параметрами генерации и улучшения спектрально-угловых характеристик излучения инжекционных гетеролазеров. Теоретические идеи в этом направлении неоднократно высказывались, в том числе нашими соавторами O.JI. Антиповым и Вл.В. Кочаровским из ИПФ РАН, А.А. Беляниным и В.В. Кочаровским из Техасского А&М университета, А.В. Сычуговым из ИОФ РАН, В.Я. Алёшкиным из ИФМ РАН, А.А. Афоненко из Минского государственного университета и др.

Настоящая диссертация посвящена практической разработке и экспериментальной проверке некоторых из этих идей. С технологической и конструктивной точек зрения при этом речь идёт о комбинировании расположения квантовых ям в волноводе гетеролазера и о создании специальных резонаторов, селектирующих генерируемые моды и обеспечивающих нужную степень их взаимодействия. Примерами селектирующих резонаторов являются так называемые С3 составные резонаторы и резонаторы с внешним волновод-но-решёточным зеркалом [7, 8]. С физической точки зрения центральными здесь являются проблемы спектральной и пространственной конкуренции мод, в том числе за носители (электроны и дырки, находящиеся под действием внешнего поля накачки и поля мод), и соответствующие нелинейные эффекты, связанные с самосогласованной динамикой носителей и комбинационным взаимодействием мод.

Сюда же примыкают и непосредственно нелинейно-оптические эффекты, обусловленные внутрирезонаторным смешиванием мод и сопровождающиеся обогащением спектра излучения гетеролазера. Так, благодаря квадратично-нелинейным оптическим свойствам полупроводника, как известно, при прохождении оптической волны высокой интенсивности через волновод в гетероструктуре должно появляться излучение удвоенной частоты. Если же в гетероструктуре взаимодействуют две волны с частотами СО] и со2, то кроме волн с частотами 2coi и 2со2 должны наблюдаться волны на суммарной и разностной частотах (coi + СО2 и coi - СО2). Для такого преобразования частот необходимо не только выполнение условия фазового синхронизма, но и достижение большой плотности излучения в смешиваемых волнах. Последнее условие естественным образом выполняется в волноводе гетеролазера, скажем, имеющем сечение 1x10 мкм и обеспечивающем (при мощности генерации 1

1 2

5 Вт) интенсивность оптического излучения (1-5) х 10 Вт/см , что близко к порогу разрушения материала и достаточно для наблюдения внутрирезона-торных нелинейных эффектов; см., например, [9-13]. В этой связи следует отметить и наблюдающийся в последнее время повышенный интерес к проблеме двух- и многочастотной генерации в инжекционных лазерах с асимметричным расположением различных квантовых ям в волноводном слое (см., например, [14-16] и указанную там литературу).

Если извлечение излучения суммарной частоты затруднено сильным поглощением коротковолнового излучения материалом лазерной структуры, то получение излучения разностной частоты не ограничено этим обстоятельством и позволило бы создать перестраиваемые источники терагерцового (или дальнего инфракрасного) излучения, работающие при комнатной температуре, - к этому в настоящее время стремятся многие исследователи [1623]. В то же время измерение терагерцового излучения малой мощности представляет сложную задачу (а повышению этой мощности препятствует, в частности, сложность удовлетворения условиям фазового синхронизма). Экспериментальные работы в данном направлении стали появляться только в последнее время (см., например, [9, 13, 23-29]), и представленные в диссертации исследования двухчастотной генерации и взаимодействия мод в гете-ролазерах в этом отношении тоже актуальны.

Целью настоящей работы было экспериментальное выявление новых возможностей управления спектрально-угловыми свойствами излучения инжекционных гетеролазеров с различным расположением квантовых ям в вол-новодном слое и с различными типами резонаторов, а также исследование особенностей конкуренции мод и нелинейно-оптических эффектов, возникающих в предложенных оригинальных лазерах.

Для достижения этой цели была проведена серия экспериментальных работ с InGaAs/GaAs/InGaP гетеролазерами, в которой были поставлены и решены следующие основные задачи:

1) разработка и исследование компактных гетеролазеров с выводом излучения через подложку и управлением его спектрально-угловыми параметрами за счёт внешнего волноводно-решёточного зеркала (ВРЗ);

2) создание и изучение свойств двухчастотных полосковых гетеролазеров с симметричным и с асимметричным расположением различных квантовых ям в волноводе;

3) получение и спектрально-угловой анализ излучения вторых и суммарных гармоник в двухчастотных лазерах с составным резонатором;

4) разработка и достижение генерации в самостартующих гетерола-зерах на динамических решётках, формируемых в самопересекающейся активной области (СПАО).

Непосредственным объектом исследования служили инжекционные InGaAs/GaAs/InGaP лазеры оригинальной конструкции, созданные в НИФТИ при ННГУ им. Н.И. Лобачевского на основе гетероструктур, выращенных в группе эпитаксиальной технологии (ГЭТ), возглавляемой Б.Н. Звонковым.

Предметом исследования являлись параметры генерации этих лазеров, прежде всего, спектрально-угловые характеристики их излучения, а также ответственные за них физические явления, связанные со спектральной и пространственной конкуренцией генерируемых мод и нелинейно-оптическими эффектами, обусловленными квадратичной нелинейностью диэлектрической проницаемости полупроводниковой решётки. При этом использовались известные апробированные методы исследования, прежде всего, снятие вольт-амперных и ватт-амперных характеристик лазеров, измерение спектра и динамических параметров их излучения, определение его диаграммы направленности и поляризации и т.п. Тем самым обеспечивалась достоверность и надёжность полученных результатов.

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию указанных проблем на примере ряда оригинальных модификаций структуры активной области (содержащей квантовые ямы) и резонатора (включающего селективные элементы) инжекционного InGaAs/GaAs/InGaP гетеролазера. Она состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Глава 1 посвящена лазеру с выводом излучения через подложку, содержащему волновод-но-решёточное зеркало. В главах 2 и 3 изучаются двухчастотные лазеры с симметричным и ассиметричным расположением квантовых ям в волноводе. В главе 4 рассматривается получение второй и суммарной гармоник в гете-ролазерах с одинарным и составным резонаторами. Глава 5 посвящена самостартующим гетеролазерам, в которых зеркалами служат динамические решётки, создаваемые генерируемыми волнами в активной области волновода.

5.4. Выводы

1. Предложен и реализован инжекционный самостартующий гетеролазер на системе материалов InGaAs/GaAs/InGaP с самопересекающейся активной областью, обеспечивающий стабильную непрерывную генерацию при комнатной температуре с дифференциальной квантовой эффективностью порядка 10%.

2. Диаграмма излучения в плоскости, параллельной р-и-переходу самостартующего гетеролазера, имеет два ярко выраженных лепестка под углами ±40°, а спектр генерируемых им продольных мод прорежен и в 2-3 раза уже по сравнению со спектром стандартного полоскового лазера на той же гетероструктуре.

3. Диаграмма направленности имеет также «нулевую компоненту», интенсивность которой невелика, а спектр смещён в красную сторону. Спектр генерации такого гетеролазера (при фиксированном токе накачки) для разных углов распространения различен.

4. Для исследованных самостартующих лазеров характерно сужение ширины спектра генерации до 1,4 нм. В некоторых образцах спектр сужался до 0,6 нм с одновременным обужением диаграммы направленности.

5. Изменение геометрических размеров лазерного чипа приводит к изменению длины волны излучения; использование наклонной активной области не смещает максимум спектра генерации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как ясно из проведённых экспериментальных исследований нестандартных InGaAs/GaAs/InGaP гетеролазеров, использование специальной комбинации и определённого расположения квантовых ям в волноводном слое и модификация и усложнение резонаторов за счёт дополнительных селективных элементов позволяют изменять спектральные и угловые характеристики их излучения, управлять параметрами генерации и реализовывать внутрирезонаторные нелинейно-оптические эффекты. В диссертации на примере InGaAs/GaAs/InGaP лазеров установлены новые физические закономерности процессов, обуславливающих особенности данного класса лазеров.

В заключение приведём основные результаты диссертации.

1. Разработан и создан компактный, узкополосный, перестраиваемый, стабильный гетеролазер InGaAs/GaAs/InGaP с выходом излучения через подложку с волноводно-решёточным зеркалом. Для лазеров данного типа было спроектировано и изготовлено высоковоспроизводимое просветляющее покрытие на основе слоёв НЮ2 на торце лазерной структуры с коэффициентом отражения 0,2-0,5 %.

2. Предложен и практически реализован способ подавления широкого луча в полупроводниковом лазере InGaAs/GaAs/InGaP с выходом излучения через подложку путём нанесения отражающего покрытия в области эпитаксиальных слоёв и просветляющего покрытия в области подложки, формирующей узкий луч.

3. В лазерах InGaAs/GaAs/InGaP с симметричным расположением двух типов квантовых ям в волноводном слое обнаружена генерация на двух частотах одновременно. Она может быть реализована как на одной поперечной моде, так и на нескольких поперечных модах. Установлена возможность варьирования диаграммы направленности излучения лазеров путём изменения расположения квантовых ям в волноводе.

4. Впервые продемонстрировано, что одновременная накачка постоянным и импульсным током позволяет эффективно управлять интенсивно-стями линий генерации в InGaAs/GaAs/InGaP лазерах с тремя квантовыми ямами двух типов. Выбором параметров комбинированной накачки и температуры лазера можно получить генерацию только в длинноволновой или только в коротковолновой полосе усиления, либо двухчастотную генерацию.

5. Проведённые исследования гетероструктур InGaAs/GaAs/InGaP с асимметричным расположением двух типов квантовых ям в волноводном слое впервые показали возможность двухчастотной генерации лазеров такого типа в широком диапазоне токов от 0,2 А при постоянной накачке до более чем 10 А при импульсной 200-наносекундной накачке. Экспериментально доказано, в том числе путём исследования ТМ-поляризованного излучения вторых гармоник, что длинноволновую полосу генерации данных двухчастотных диодных лазеров обеспечивают не стандартные волноводные моды, а моды «шепчущей галереи», существование и порог генерации которых зависит от геометрии как лазерного чипа, так и токовой накачки.

6. Разработан и создан двухчастотный InGaAs/GaAs/InGaP лазер с составным резонатором, предназначенный для генерации излучения суммарной и разностной частот. В этом лазере получено когерентное излучение на удвоенных и суммарной гармониках, обусловленное решёточной нелинейностью GaAs.

7. Предложен и реализован самостартующий инжекционный InGaAs/GaAs/InGaP лазер с самопересекающейся активной областью, резонатор которого формируется с участием динамических решёток, индуцируемых в активной среде интерференционным полем световых волн генерации. Лазер стабильно генерирует при комнатной температуре как в непрерывном, так и в импульсном режиме с дифференциальной квантовой эффективностью порядка 10%. Диаграмма направленности его излучения имеет два ярко выраженных лепестка, соответствующих пересекающимся полоскам накачки, а спектр генерируемых им продольных мод прорежен и в 2-3 раза уже по сравнению со спектром стандартного однополоскового лазера на той же гетеро-структуре.

1. Quantum-well heterostructure lasers / N. Holonyak, Jr., R.M. Kolbas, R.D. Dupuis, P.D. Dapkus // 1.EE J. Quantum Electronics. - 1980. - Vol. QE-16, № 21.-P. 170-186.

2. Зи, С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах / С. Зи. М.: Мир, 1984,- Кн. 2. - 456 с.

3. High-Power Diode Lasers: Fundamentals, Technology, Applications / Roland Diehl (Ed). New York: Springer, 2000. - 430 p.

4. Intersubband Transitions in Quantum Wells. Physics and Device Applications II, in: Semiconductors and Semimetals / H.C. Liu (Ed), F. Capasso (Ed). -New York: Academic Press, 2000. Vol. 66. - 226 p.

5. Surface Emitting Semiconductor Lasers and Arrays / G.A. Evans (Ed), J.M. Hammer (Ed). Boston: Academic Press, Inc. Harcourt Brace & Company, Publishers, 1993.-420 p.

6. Генератор терагерцового излучения, основанный на нелинейном преобразовании частоты в двойном вертикальном резонаторе / Ю.А. Морозов, И.С. Нефедов, В.Я. Алёшкин, И.В. Красникова // ФТП. 2005. - Т. 39, вып. 1.-С. 124-130.

7. Nonlinear Optics in Semiconductors I, in: Semiconductors and Semimetals / E. Garmire (Ed), A. Kost (Ed). San Diego: Academic Press, 1999. - Vol. 58. -410 p.

8. Nonlinear Optics in Semiconductors II, in: Semiconductors and Semimetals / E. Garmire (Ed), A. Kost (Ed). San Diego: Academic Press, 1999. - Vol. 59. -318 p.

9. Восканян, A.B. Преобразование частоты на квантовых системах с дискретными уровнями энергии / А.В. Восканян, Д.Н. Клышко, B.C. Туманов // ЖЭТФ. 1963. - Т. 45, вып. 5(11). - С. 1349-1407.

10. Phase-matched second harmonic generation in asymmetric double quantum wells / K.L. Vodopyanov, K.O' Neill, G.B. Serapiglia, et al.] // Appl. Phys. Lett. 1998. - Vol. 72, № 21. - P. 2654-2656.

11. Asymmetric multiple-quantum-well heterostructure laser systems: conception, performance, and characteristics / V.K. Kononenko, A.A. Afonenko, I.S. Manak, S.V. Nalivko // Opto-Electronics Rev. 2000. - Vol. 8, № 3. - P. 241250.

12. Афоненко, А.А. Динамика генерации многочастотных квантово-размерных гетеролазеров / А.А. Афоненко, В.К. Кононенко, И.С. Манак // Изв. АН. Сер. физ. 2001. - Т. 65, № 2. - С. 227-229.

13. Mid-infrared and THz coherent sources using semiconductor-based materials / H. Takahashi, H. Murakami, et al.] // Topics Appl. Phys.- 2003. Vol. 89. -p. 425-445.

14. Liu, R.-B. Tunable terahertz emission from difference frequency in biased superlattices / R.-B. Liu, B.-F. Zhu // Appl. Phys. Lett. 2004. - Vol. 84, № 15. -P. 2730-2732.

15. Enhanced tunable terahertz generation in photonic band-gap structures / J.W. Haus, P. Powers, P. Bojja, et al.] // Laser Physics. 2004. - Vol. 14, № 5. - P. 635-642.

16. Berger, V. Nonlinear phase matching in THz semiconductor waveguides / V. Berger, C. Sirtori // Semicond. Sci. Technol. 2004. - Vol. 19 - P. 964-970.

17. Лазерные транзисторы для многочастотной генерации в видимом и инфракрасном диапазонах / А.А. Белянин, В.В. Кочаровский, Вл.В. Кочаров-ский, Д.С. Пестов, М.О. Скалли // Изв. АН. Сер. физ. 2003. - Т. 67, № 2. -С. 262-265.

18. Vorob'ev, L.E. Intraband population inversion and amplification of IR radiation through charge-carrier injection into quantum wells and quantum dots / L.E. Vorob'ev // JETP Lett. 1998. - Vol. 68, № 5. - P. 417-425.

19. Новые схемы полупроводниковых лазеров и освоение терагерцового диапазона / А.А. Белянин, Д. Деппе, В.В. Кочаровский, Вл.В. Кочаровский, Д.С. Пестов, М.О. Скалли//УФН.-2003.-Т. 173, №9. С. 1015-1021.

20. Fresnel phase matching for three-wave mixing in isotropic semiconductors / R. Haidar, N. Forget, P. Kupecek, E. Rosencher // J. Opt. Soc. Amer. 2004. -Vol. 21, №8.-P. 1522-1534.

21. Tunable terahertz waves generated by mixing two co-propagating infrared beams in GaP / W. Shi, Y. Ding // Opt. Lett. 2005. - Vol. 30. - P. 265-267.

22. Tunable mid-infrared generation by difference frequency mixing of diode laser wavelengths in intersubband InGaAs/AlAs quantum wells / N.C. Chui, G.L. Woods, M.M. Fejer, et al.] // Appl. Phys. Lett. 1995. - Vol. 66, № 3. -P. 265-267.

23. Intracavity sum-frequency generation in GaAs quantum cascade lasers / J.-Y. Bengloan, A. De Rossi, V. Ortiz, et al.] // Appl. Phys. Lett. 2004. - Vol. 84, № 12.-2019-2021.

24. Four-wave mixing and direct terahertz emission with two-color semiconductor lasers / S. Hoffmann, M. Hoffmann, E. Brundermann, et al.] // Appl. Phys. Lett. 2004. - Vol. 84, № 18.-P. 3585-3587.

25. High-power (> 10 W) continuous-wave operation from 100-/дп-арегШге 0.97-//m-emitting Al-free diode lasers /А. Al-Muhanna, L.J. Mawst, D. Botez, et al.] // Appl. Phys. Lett. 1998. - Vol. 73, № 9. - P. 1182-1184.

26. Лазерные диоды (к = 0,98 мкм) с узкой диаграммой направленности в вертикальной плоскости и низкими внутренними потерями / С.О. Слип-ченко, Н.А. Пихтин, Н.В. Фетисова, и др.] // Письма в ЖТФ. 2003. -Т.29, вып. 23.-С 26-34.

27. Scifres, D. Leaky wave room-temperature double heterostructures GaAs:GaAlAs diode laser / D.R. Scifres, W. Streifer, R.D. Burnham // Appl. Phys. Lett. 1976. - Vol. 29, № 1. - P. 23-25.

28. Streifer, W. Substrate radiation losses in GaAs heterostructure lasers / W. Streifer, R.D. Burnham, D.R. Scifres // IEEE J. Quantum Electronics. 1976. -Vol. QE-12, № 3. - P. 177-182.

29. Швейкин В.И., Богатов А.П., Дракин А.Е., Курнявко Ю.В. Патентная заявка № 97112914, «Инжекционный лазер», МКИ (6): H01S3/19 (1997).

30. Полупроводниковые лазеры на длину волны 0,98 мкм с выходом излучения через подложку / Н.Б. Звонков, Б.Н. Звонков, А.В. Ершов, Е.А. Ус-кова, Г.А. Максимов // Квантовая электроника. 1998. - Т.25, № 7. - С. 622-624.

31. Диаграмма направленности излучения квантоворазмерных лазеров InGaAs/GaAs, работающих на «вытекающей моде» / В.И. Швейкин, А.П. Богатов, А.Е. Дракин, Ю.В. Курнявко // Квантовая электроника. 1999. -Т.26, № 1. - С. 33-36.

32. Многослойное волноводно-решёточное зеркало в резонаторе Фабри-Перо твёрдотельного лазера на основе александрита / В.А. Кондратюк, В.А. Михайлов, Н.М. Лындин, В.А. Сычугов, А.В.Тищенко // Квантовая электроника. 1999. - Т.26, № 2. - С. 175-178.

33. Перестраиваемый широкоапертурный полупроводниковый лазер с внешним волноводно-решёточным зеркалом / Б.Н. Звонков, К.Е. Зиновьев, Д.Х. Нурлигаеев, И.Ф. Салахутдинов, В.В. Светиков, В.А. Сычугов // Квантовая электроника. -2001. -Т.31, № 1. С. 35-38.

34. Полное отражение света от гофрированной поверхности диэлектрического волновода / Г.А. Голубенко, А.С. Свахин, В.А. Сычугов, А.В. Ти-щенко//Квантовая электроника. 1985.-Т. 12, № 7. - С. 1334-1336.

35. The abnormal reflecting mirror structure for intra-cavity Cerenkov SHG /

36. F. Salakhutdinov, L. Kotacka, H.J.W.M. Hoekstra, J.Ctyroky, V.A. Sychugov,th

37. O. Parriaux // Postdeadline Papers 10 European Conference on Integrated Optics, Paderborn, Germany, April 4-6, 2001.-2001. P. 256-258.

38. Measurement of the thickness dependence of absorption in Hf02 and ZnS single-layer films / F. Coriand, H.G. Walther, E. Welsch, et al.] // Thin Solid Films. 1985. - Vol. 130, № 1-2. - P. 29-35.

39. Оптические свойства полупроводников. Справочник / В.И. Гавриленко, и др.] Киев: Наукова думка, 1987. - 606 с.

40. Ершов, А.В. Получение многослойных оптических покрытий методом электроннолучевого испарения / Ершов А.В., Машин А.И. // Лаб. практикум для магистров. Н.Новгород: ННГУ, 1999. - 33 с.

41. Курносов, А.И. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем / Курносов А.И., Юдин В.В. М: Высшая школа, 1986. - 368 с.

42. Риттер, Э. Пленочные диэлектрические материалы для оптических применений / Риттер Э. // Физика тонких пленок / Под ред. Г. Хасса, М. Франкомбра, Р. Гофмана. -М.: Мир, 1978. Т. 8. - С. 7-60.

43. Исследование фазового состава плёнок на основе окислов циркония, гафния и иттрия / В.П. Повещенко, и др.] // Оптико-механическая промышленность. 1984. - № 5. - С. 28-30.

44. Structure-related bulk losses in Zr02 optical thin films / A. Duparre, E. Welsch, et al.] //Thin Solid Films. 1990. - Vol. 187. - P. 275-288.

45. Ikeda, S. Asymmetric dual quantum well laser wavelength switching controlled by injection current / S. Ikeda, A. Shimizu, Т. Hara // Appl. Phys. Lett. -1989.-Vol. 55, № 12.-P. 1155-1157.

46. Ikeda, S. Evidence of wavelength switching caused by a blocked carrier transport in an asymmetric dual quantum well laser / S. Ikeda, A. Shimizu // Appl. Phys. Lett. 1991. - Vol. 59, № 5. - P. 504-506.

47. Mode-switching in semiconductor lasers / L. Furfaro, F. Pedaci, M. Giudici, X. Hachair, J. Tredicce, S. Balle // IEEE J. Quantum Electronics. 2004. - Vol. 40, № 10.-P. 1365-1376.

48. Ikeda, S. Theoretical analysis of dynamic response of asymmetric dual quantum well lasers / S. Ikeda, A. Shimizu // Appl. Phys. Lett. 1992. - Vol. 61, № 9.-P. 1016-1018.

49. Huang, J.-J. Carrier capture competition between two different quantum wells in dual-wavelength semiconductor lasers / J.-J. Huang, C.C. Yang, D.-W. Huang // IEEE Photonics Technology Lett. 1996. - Vol. 8, № 6. - P. 752-754.

50. Наливко, С.В. Квантово-размерные лазеры со слабой зависимостью выходной мощности от температуры / С.В. Наливко, А.А. Афоненко, И.С. Манак // Письма в ЖТФ. 2000. - Т. 26, вып. 5. - С. 31-35.

51. Алёшкин, В.Я. Генерация разностной моды в полупроводниковых лазерах / В.Я. Алёшкин, А.А. Афоненко, Н.Б. Звонков // ФТП. 2001. - Т. 35, вып. 10. - С. 1256-1260.

52. Flytzanis, C. Infrared Dispersion of Second-Order Electric Susceptibilities in Semiconducting Compounds / C. Flytzanis // Phys. Rev. B. 1972. - Vol. 6. -P. 1264-1290.

53. Mayer, A. Far-infrared nonlinear optics. I. X(2) near ionic resonance / A. Mayer, F. ICeilman //Phys. Rev. B. 1986. - Vol. 33, № 10. -P. 6954-6961.

54. Blue-green surface-emitting second-harmonic generators on (lll)B GaAs / D. Vakhshoori, R.J. Fischer, M. Hong, D.L. Sivko, G.J. Zydzik, G.N.S. Chu, A.Y. Cho // Appl. Phys. Lett. 1991. - Vol. 59, № 8. - P. 896-898.

55. Bhargava, R.N. Compact blue lasers in the near future / R.N. Bhargava // Journal of Crystal Growth. 1992. - Vol. 117. - P. 894-901.

56. Blue vertical-cavity surface-emitting lasers based on second-harmonic generation grown on (311 )B and (411)A GaAs substrates / Y. Kaneko, S. Naka-gawa, et al.] // J. Appl. Phys. 2000. - Vol. 87, № 4. - P. 1597-1603.

57. Ramos, P.A. Surface-emitted blue light from 112]-oriented (In, Ga)As/GaAs quantum well edge-emitting lasers / P.A. Ramos, E. Towe // Appl. Phys. Lett. 1996.-Vol. 69, №22.-P. 3321-3323.

58. Continuous-wave operation of a blue vertical-cavity surface-emitting laser based on second-harmonic generation / N. Yamada, Y. Kaneko, S. Nakagawa, et al.] //Appl. Phys. Lett. 1996. - Vol. 68, № 14. - P. 1895-1897.

59. Infrared generation in low-dimensional semiconductor heterostructures via quantum coherence / A.A. Belyanin, F. Capasso, V.V. Kocharovsky, et al.] // Phys. Rev. A. 2001. - Vol. 63, № 5. - P. 53803 (1-8).

60. Морозов, Ю.А. Нелинейное преобразование частоты в лазере с двойным вертикальным резонатором / Ю.А. Морозов, И.С. Нефедов, В.Я. Алёшкин//ФТП. 2004. - Т. 38, вып. 11. - С. 1392-1398.

61. Морозов, Ю.А. Генератор с вертикальным выводом излучения в тера-герцовом диапазоне / Ю.А. Морозов, И.С. Нефедов, В.Я. Алёшкин // ЖТФ. 2004. - Т. 74, вып. 5. - С. 71-76.

62. Алёшкин, В.Я. Нелинейная генерация излучения среднего инфракрасного диапазона в двухчастотных полупроводниковых лазерах с гофрированным волноводом / В.Я. Алёшкин, А.А. Афоненко, А.А. Дубинов // ЖТФ. 2004. - Т. 74, вып. 11. - С. 92-96.

63. Афоненко, А.А. Нелинейная генерация дальнего инфракрасного излучения в двухчастотных полупроводниковых лазерах / А.А. Афоненко, В.Я. Алёшкин, А.А. Дубинов // ФТП. 2004. - Т. 38, вып. 2. - С. 244-248.

64. Resonant second-order nonlinear optical processes in quantum cascade lasers / N. Owschimikow, C. Gmacht, A. Belyanin, V. Kocharovsky, et al.] // Phys. Rev. Lett. 2003. - Vol. 90, № 4. - P. 43902 (1-4).

65. Blakemore, J.S. Semiconducting and other major properties of gallium arsenide / J.S. Blakemore // J. Appl. Phys. 1982. - Vol. 53, № 10. - P. R123-R181.

66. Андронов, А.А. Теория колебаний / А.А. Андронов, А.А. Витт, С.Э. Хайкин. М.: Наука, 1981.- 568 с.

67. Ланда, П.С. Автоколебания в системах с конечным числом степеней свободы / П.С. Ланда. М.: Наука, 1980. - 360 с.

68. Пиковский, А. Синхронизация. Фундаментальное нелинейное явление / А. Пиковский, М. Розенблюм, Ю. Курте. М.: Техносфера, 2003. - 496 с.

69. Chaos synchronization and spontaneous symmetry-breaking in symmetrically delay-coupled semiconductor lasers / T. Heil, I. Fischer, W. Elsasser, et al.] // Phys. Rev. Lett. 2001. - Vol. 86, № 5. - P. 795-798.

70. Frequency-tunable high-power terahertz wave generation from GaP / T. Ta-nabe, K. Suto, J. Nishizawa, T. Kimura, K. Saito // J. Appl. Phys. 2003. - Vol. 93, № 8.-P. 4610-4615.

71. Generation of megawatt-power terahertz pulses by noncollinear difference-frequency mixing in GaAs / S.Ya. Tochitsky, J.E. Ralph, C. Sung, C. Joshi // J. Appl. Phys.-2005.-Vol. 98.-P. 026101 (1-3).

72. High-power laser structures incorporating novel curved-gratings / G.S. Soko-lovskii, E.U. Rafailov, D.J.L. Birkin, W. Sibbett // Opt. and Quantum Electronics. 1999. - Vol. 31, № 3. - P. 215-221.

73. Angled-grating distributed feedback laser with 1.2 W CW single-mode diffraction-limited output at 1.06-|im / V.V. Wong, S.D. DeMars, A. Schonfelder, et al.] // Proc. CLEO. San Francisco, 1998. - P. 34-35.

74. Modeling and measurements of the radiative characteristics of high-power a-DFB lasers / K. Paschke, A. Bogatov, A.E. Drakin, et al.] // IEEE J. Select. Topics Quantum Electronics. 2003. - Vol. 9, № 3. - P. 835-844.

75. Antipov, O.L. Formation of dynamic cavity in a self-starting high-average-power Nd: YAG laser oscillator / O.L. Antipov, A.S. Kuzhelev, D.V. Chausov Lett. // Optics Express. 1999. - Vol. 5, № 12. - P. 286-291.

76. Garmire, E. Resonant optical nonlinearities in semiconductors / E. Garmire // IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 2000. - Vol. 6, № 6.-P. 1094-1110.

77. Ярив, А. Квантовая электроника (перевод с английского под редакцией Я.И. Ханина) / А. Ярив. -М.: Сов. Радио, 1980.-416 с.

78. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

79. Postdeadline Papers of the 10 European Conference on Integrated Optics, Pader-born, Germany, April 4-6, 2001. 2001. - P. 1-4.

80. А7. АСМ-исследования и оптические свойства оксидных пленок для многослойных просветляющих покрытий / Ю.С. Логушкова, Е.И. Малышева, С.М. Некоркин, и др. // Структура и свойства твердых тел: Сб. науч. тр. Н. Новгород: ННГУ, 2003. - С. 128-133.

81. А8. Ионно-имплантационная изоляция в формировании лазерных структур на основе GaAs / Ю.А. Данилов, Б.Н. Звонков, С.М. Некоркин, В.К. Васильев, Ю.В. Васильева // Оптика, оптоэлектроника и технологии: Труды конференции. Ульяновск, 2003. - С. 181.

82. A10. Двухполосная генерация в полупроводниковом лазере с квантовыми ямами / В.Я. Алёшкин, Б.Н. Звонков, Н.Б. Звонков, С.М. Некоркин // Нано-фотоника 2001: Мат. совещания, Н. Новгород, 26-29 марта 2001 г. -Н.Новгород: ИФМ РАН, 2001. - С. 224-226.

83. А13. Двухчастотный лазер с управлением мощности линий током накачки / В.Я. Алёшкин, В.И. Гавриленко, С.В. Морозов, А.А. Афоненко, Б.Н. Звонков,

84. Ю.В. Кутергина, С.М. Некоркин // Нанофотоника 2003: Мат. совещания, Н. Новгород, 17-20 марта 2003 г. - Н.Новгород: ИФМ РАН, 2003. - Т. 2. - С. 315-317.

85. А22. Конкуренция мод, неустойчивость и генерация вторых гармоник в двухчастотных InGaAs/GaAs/InGaP лазерах / В.Я. Алёшкин, Б.Н. Звонков, С.М. Некоркин, Вл.В. Кочаровский // ФТП. 2005. - Т. 39, вып. 1. - С. 171174.